肿瘤干细胞的信号转导通路及其药物进展 - 图文

肿瘤干细胞的信号转导通路及其药物进展

梁家杰

【摘要】肿瘤干细胞是肿瘤中存在的一小群具有自我更新和分化潜能的细胞，也是存在于肿瘤组织中具有干细胞样能力的肿瘤细胞亚群，在肿瘤的发生发展中起着非常重要的作用。近年来研究发现，肿瘤干细胞与Wnt、Notch、Hedgehog、PTEN、CXCR4/SDF-1、BMPs等多种信号转导通路有关，本文综述了肿瘤干细胞的信号转导通路的研究进展以及相关的药物进展，为肿瘤干细胞研究和临床应用提供理论依据。 【关键词】肿瘤干细胞；信号转导通路；药物治疗

Signaling Pathway of Cancer Stem Cells and Pharmacy Development

【Abstract】 Cancer stem cells are the small population of cells involved in tumor possessing renewal and differentiation properties，also known as the stem cell-like cell subpopulations in tumors，which play an important role in tumor occurrence and development.Recent discoveries revealed that the growth regulation of tumor cells was significantly related to the Wnt，Notch，Hedgehog，PTEN，CXCR4/SDF-1，BMPs signaling pathway，etc.. To provide a theoretical basis for CSCs research and clinical application，we briefly reviewed the research advancements of the signal transduction pathway related to CSCs and pharmacy. 【Key words】 cancer stem cells；signaling pathway；pharmacy

肿瘤干细胞（Cancer stem cell，CSCs）是指具有干细胞性质的癌细胞，也就是具有“自我复制”以及“具有多细胞分化”等能力。2001年，干细胞研究领域的著名学者Reya,T、Morrison,S. J、Clarke,M. F和Weissman,I. L一起在《NATURE》杂志上发表综述，首次系统地阐述了肿瘤干细胞学说：肿瘤干细胞是一个功能性的定义，它最重要的特征就是具有无限的自我更新潜能并且只有它们才具有真正的致瘤能力[1]。通常CSCs被认为有形成肿瘤，发展成癌症的潜力，特别是随着癌症转移出去后，产生新型癌症的来源，也与肿瘤的复发转移化疗和放射的敏感性降低及耐药性有着密切的关系[2]。由于CSCs具有干细胞的特性，同时还具有肿瘤细胞的特性，所以CSCs和干细胞在调节自我更新与分化的分子机制上有很大的不同，其中与此有关的信号转导通路基因的突变参与了肿瘤的生长。大量的研究发现，Wnt、FGF、Notch、BMP、Hedgehog等信号转导通路组成了复杂的干细胞信号网络调控体系，信号网络之间的平衡对于干/祖细胞的保持有重要意义，破坏这种信号网络可能导致病理变化而发生肿瘤[3]。

1 肿瘤干细胞相关信号转导通路

正常干细胞和肿瘤干细胞都必须进行自我更新以维持其自身数量的稳定，因此它们通常会共有一些调控干细胞关键功能的共用分子机制。人们发现，许多发育相关的信号传导通路，如Wnt、FGF、Notch、BMP、Hedgehog信号通路等，都能够影响CSCs和干细胞的自我更新和分化[4]。

1.1 Wnt信号通路

Wnt是一种富含半胱氨酸的分泌型糖蛋白，通过旁分泌或自分泌在发育过程中调控增殖，发挥促进因子的作用。该通路成员主要包括Wnt、Frz、Dsh、β-catenin以及TCF/LEF[5]。Wnt蛋白与其细胞膜表面的Frizzled家族跨膜蛋白(Fz)受体结合后，其配体可以参与信号转导[6]，

并可能激活细胞内的3条信号通路：Wnt/β-catenin信号通路、Wnt/Ca2+信号通路、以及由c-Jun N端激酶(JNK)介导的细胞极性信号通路（PCP）[7]。在正常成熟细胞中Wnt通路处于关闭的状态，胞质中β-catenin大部分与突出于细胞膜的E-cad-herin结合，剩余的与GSK-3β抗原递呈细胞形成蛋白多聚体，进而发生磷酸化，被降解; 当处于激活状态时，Wnt与卷曲蛋白结合，在蓬乱蛋白的参与下，GSK-3β失活，?-catenin进入细胞核与转录因子相互作用，调控相关基因的表达。β-catenin的稳定是经典Wnt通路的核心，当β-catenin水平低下时Wnt通路处于关闭状态，反之，处于开启状态[8]。Wnt信号转导通路如图1所示。

图1Wnt信号转导通路示意图

Wnt/β-catenin信号通路的不恰当激活，参与了肿瘤的发生及其侵袭转移的过程，而且还与肿瘤干细胞的关系密切[9]。通常，Wnt信号通路可以通过Wnt配体的过表达而直接被激活，或者通过Wnt信号的下游组件突变的传递作用而被激活，一般的终点是干细胞不适当的扩增区域，最终将会形成侵袭性的肿瘤细胞。虽然Wnt/β-catenin信号通路调控着正常皮肤干细胞向毛细胞增殖分化的过程，然而在上皮肿瘤中却在维持肿瘤干细胞特征方面发挥重要作用，Wnt/β-catenin信号通路的一系列靶基因，如c-Myc在胚胎时期上皮组织分化，上皮肿瘤形成过程都起重要作用[10]。结肠癌、肝细胞癌和乳腺癌等肿瘤组织中Wnt信号通路关键基因β-catenin过度激活或β-catenin的抑制基因APC失活都将导致β-catenin在细胞内的积聚进而促进细胞异常增生和恶性转化[11]。Wnt/β-catenin能使CML患者的GM-CFU阶段的祖细胞发生干性改变，成为急性的CSCs[12]。有研究表明[13][14], 在一些细胞系如鼠4T1乳腺癌细胞系、NXS2成神经细胞瘤系、MCF-7乳腺癌细胞系中发现肿瘤干细胞表达更高水平的wnt-1、β-catenin等wnt信号通路分子。Varmus等[15]发现乳腺癌干细胞是Wnt信号通路诱导乳腺腺体肿瘤发生的重要靶细胞。Teng等[16]发现用氯化锂激活Wnt/β-catenin信号通路后，肺癌A549细胞系的增殖、克隆形成、转移以及耐药性等方面的功能显著增强，表明Wnt信号可能通过Oct4对肺癌CSCs的特性产生重要影响。胰腺癌细胞在放疗后Wnt信号通路激活转录β-catenin，β-catenin可以促进胰腺癌对损伤基因的修复。MalanChi等[17]的研究

发现CD34+为标志的皮肤癌干细胞发挥生物学效应依赖于Wnt/β-catenin信号途径，敲除模型鼠体内的β-catenin，肿瘤发生受到全面抑制，此外清除β-Catenin还可抑制化学诱导的皮肤肿瘤和H-ras诱导的肿瘤发生。大量实验结果表明，Wnt途径在决定肿瘤干细胞的命运和自我更新能力方面扮演着重要角色。Wnt途径的异常活化在细胞癌变肿瘤发生及肿瘤侵袭过程中具有重要作用。当Wnt基因本身或通路其他任一成员因素发生变化使其不正常活化时，均有可能引起肿瘤的发生。

1.2 Notch信号通路

在研究果蝇的发育过程中, 研究者们发现了一条传导细胞间相互作用的信号途径-Notch信号途径。它是一条保守的信号转导途径，在多种组织和器官的早期发育过程中，其家族成员对细胞的发育、生长及凋亡起着重要的调控作用[18][19]。Notch信号转导通路由受体、配体和DNA结合蛋白3部分组成，哺乳动物中有4个同源Notch受体和5个同源配体。Notch信号由两个邻近细胞的Notch受体与配体相互作用而激活，受体与配体的结合导致受体构象发生改变，从而暴露受体胞外域的TACE金属蛋白酶切割位点，随后在γ分泌酶的介导下发生蛋白水解作用，释放出Notch的胞内段（NICD），NICD转移至细胞核内，与转录抑制因子RBP-Jκ结合；RBP-Jκ与NICD结合并招募共活化物如MAML和组蛋白乙酰基转移酶P300/CBP等后，即成为转录活化因子，活化hes( hairy enhancer of split)等分化拮抗基因的转录，表达产物与相应的分化效应基因的启动子特异性结合，并募集Groucho/TLE等转录共抑制因子，阻碍细胞特异性分化效应基因的表达，最终影响细胞的分化、增殖和凋亡[20]。Notch信号转导通路如图2所示。Notch信号分子在一些正常干细胞中高表达，提示Notch信号分子在干细胞的自我更新中可能发挥着重要作用。

图2 Notch信号转导通路示意图

不同种类细胞中的Notch通路能促进或抑制细胞的分化，并且在肿瘤干细胞向肿瘤发展的过程中也发挥重要作用。Hambardzumyan等[21]研究认为CD133+细胞能生成肿瘤的原因可能与Notch信号转导通路有关。Notch信号通路参与乳腺癌的发生和发展，并且在转移性乳腺癌中表达失调，使用细胞表面标记物CD44+CD24+后，乳腺癌干细胞的启动子数量增加，提示Notch上调可促进乳腺癌干细胞的基因表达[22]。而Bouras等[23]研究表明，信号通路Notch的作用在于抑制乳腺干细胞的增殖能力，但当增殖终止时，其表达能力就会下调，再结合肿瘤干细胞理论，可以认为正常的乳腺干细胞发生恶性转化时，Notch1基因被激活，分化基因封闭而大量增殖基因被激活，乳腺干细胞转化为乳腺癌干细胞，导致了恶性肿瘤的形成。Robine等[24]发现，在肠道中Notch通路被激活后肿瘤干细胞活性才能增加并形成肠道肿瘤。Notch 信号通路在造血干细胞自我更新的调控中其重要作用，通过调节造血干细胞的不同分化阶段，引导造血干细胞向不同系分化，其过度表达可导致恶性淋巴瘤的形成[25]。在阻断通路方面的研究表明，阻断Notch通路能诱导成神经管细胞瘤的凋亡, CD133+细胞群数量减少, 而且被阻断Notch通路的CD133+肿瘤细胞不能够在NOD/ SCID鼠身上成瘤[26]。同时，阻断Notch通路,能抑制HES1表达和促进脑肿瘤细胞的凋亡[27]。Hirose H等[28]的研究也证实了抑制Notch信号通路可有效提高Her2阴性乳腺癌干细胞对放疗的敏感性。然而另一些研究却表明Notch信号参与的多种肿瘤的发生发展, 在一些肿瘤组织中起着促进恶性转化的作用,而在另一些肿瘤组织中则起着抑制转化的作用[29]。综上，Notch信号通路是目前假定对于肿瘤干细胞的靶向治疗的重要途径之一。

1.3 Hedgehog信号通路

Hedgehog基因是一种分节极性基因，因突变的果蝇胚胎呈多毛团状，酷似受惊刺猬而得名。哺乳动物中存在三个Hedgehog的同源基因：Sonic Hedgehog(SHH)、Indian Hedgehog(IHH)和Desert Hedgehog(DHH)，分别编码Shh、Ihh和Dhh蛋白。Hh信号传递受靶细胞膜上两种受体Patched(Ptc)和Smoothened(Smo)的控制。受体Ptc由肿瘤抑制基因Patched编码，是由12个跨膜区的单一肽链构成，能与配体直接结合，对Hh信号起负调控作用。在无Hh、Ptc的情况下，激活Smo可导致Hh靶基因的活化；基因Smo突变时，可出现与Hh基因突变相同的表征。目前发现的参与Hh信号转导的核内因子包括转录因子Ci/Gli、丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶Fused(Fu)、Fu抑制剂(SuFu)、类运动蛋白Costal-2(Cos2)、蛋白激酶A(PKA)等。其中Ci/Gli、Fu起正调控作用，Cos 2、PKA起负调控作用。在正常情况下，Ptc抑制Smo蛋白活性，从而抑制下游通路，这时下游的Gli蛋白在蛋白酶体内被截断，并以羧基端被截断的形式进入细胞核内，抑制下游靶基因的转录。当Ptc和Hh结合以后，解除对Smo的抑制作用，促使Gli蛋白与PKA及一些未知因子与微管形成大分子复合物，使得全长Gli蛋白进入核内激活下游靶基因转录。Hh-Gli通路可以诱导Ptc的转录，形成负反馈的调控环。当Ptc发生突变或缺失时、或是Smo突变导致对Ptc的抑制作用不敏感致使基因活化，致使Hh信号通路失控，使Gli持续激活、启动靶基因转录。在正常时，Ptch蛋白抑制跨膜蛋白Smo的活性。Hh结合Ptch后释放Smo来阻断Ptch蛋白的功能，并通过潜伏的Gli家属转译因子激活转译靶分子[30]。Hedgehog信号转导通路如图3所示。Hedgehog信号通路是一个高度保守的信号通路，其在胚胎干细胞和成体干细胞的增殖和分化方面扮演重要的角色[31]。

研究表明，SHH不但在不同组织中均可促进干细胞的增殖，在许多肿瘤的发展过程中 SHH途径都有不同程度的激活。对常见恶性肿瘤的研究发现，Hedgehog信号通路的异常，在恶性肿瘤的形成、生长及维持方面具有重要的作用[32]。Hedgehog信号参与了多种肿瘤的发生发展，如乳腺癌干细胞高表达Hedgehog配体Ihh、受体PTCH 及下游Gli1、Gli2转录因子[33]。进一步研究Hedgehog信号在调控乳腺干细胞自我更新的作用，发现持续活化Hedgehog信号增加了乳腺微球体起始细胞的数量及乳腺微球体的尺度[34]，然而Moraes等[35]则发现Hedgehog活化后虽可使微球体形成效率增加，但体内试验却显示再造乳腺乳腺的频